COLÉGIO ESTADUAL NILSON SOCORRO CURSO DE FÍSICA Módulo 1

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1 CURSO DE FÍSICA Módulo 1 ÍNDICE CARGA ELÉTRICA...2 Um pouco da história da Eletricidade...2 O modelo atômico e a carga elétrica...2 Os dois tipos de carga elétrica...3 Quantidade de eletricidade...3 Condutores e isolantes...4 Exercícios de classe...4 Atividades para casa...5 ELETRIZAÇÃO...7 Eletrização por atrito...7 Eletrização por contato...7 Eletrização por indução...7 Princípio da Conservação das Cargas Elétricas...7 Exercícios de classe...8 Atividades para casa...9 FORÇA ELETROSTÁTICA...11 A Lei de Coulomb...11 Exercícios de classe...11 Atividades para casa...13 CAMPO ELÉTRICO...15 Direção e sentido do campo elétrico...15 Determinação do vetor campo elétrico Módulo do campo elétrico...16 Exercícios de classe...16 Energia Potencial Elétrica...17 Potencial elétrico...17 Potencial elétrico gerado por uma carga puntiforme...17 Trabalho do campo elétrico...17 Exercícios de classe...18 Elaborado por : Wagner Cardoso Data: Fevereiro / 2007 Versão 1.0

2 FÍSICA: CARGA ELÉTRICA Módulo 1 CARGA ELÉTRICA Um pouco da história da Eletricidade A partir de agora, iniciaremos o estudo da Eletricidade, uma das partes mais fascinantes da Física. É através dela que se explicam muitos fenômenos que nos cercam no dia-a-dia. Os raios são descargas elétricas. A lâmpada da sala de aula, os ferros modernos de passar roupa, a televisão e o telefone celular, por exemplo, têm o seu funcionamento explicado por ações elétricas. O estudo da eletricidade originou-se de algumas observações realizadas aparentemente no século VI a.c., quando gregos teriam identificado os primeiros fenômenos elétricos. Ao que tudo indica, Tales de Mileto, um filósofo, após ter atritado um pedaço de âmbar com pele de animal, verificou que o primeiro passou a atrair objetos leves, tais como a pena de uma ave. Por alguns séculos, o estudo da eletricidade não evoluiu quase nada. No século XVI, William Gilbert, um médico inglês, verificou que não somente o âmbar, mas diversas substâncias se eletrizavam ao serem atritadas. Como em grego a palavra âmbar é elektron, ele chamou esses materiais de elétricos. Daí nasceu também o nome de eletricidade para esse ramo da Física. O francês Du Fay verificou que havia dois tipos de eletricidade, fazendo a seguinte experiência: Ao atritar o âmbar com um pedaço de lã, este se eletrizava e repelia outro pedaço de âmbar igualmente eletrizado. Do mesmo modo, ao atritar o vidro com um pedaço de lã, este se eletrizava e repelia outro pedaço de vidro igualmente eletrizado. No entanto, o vidro eletrizado atraía o âmbar eletrizado. Assim se nomeou a eletricidade do vidro de vítrea e a das demais substâncias de eletricidade resinosa. Benjamin Franklin, um importante cientista do século XVIII, foi quem nomeou de positiva a eletricidade vítrea e de negativa a resinosa. O modelo atômico e a carga elétrica Sabemos hoje que a matéria é constituída por átomos e que estes, por sua vez, são formados por três tipos de partículas elementares: prótons, elétrons e nêutrons. Segundo o modelo atômico atual, podemos distinguir no átomo duas regiões distintas: um núcleo central e uma região que o envolve, a eletrosfera. O núcleo é uma região muito compacta, onde estão os prótons e os nêutrons. Na eletrosfera estão os elétrons, girando ao redor do núcleo numa trajetória não conhecida. Das partículas que constituem o átomo, o elétron foi a primeira a ser descoberta: em 1897; o próton foi descoberto em 1919, e o nêutron só em Em todos os átomos, o número de prótons é igual ao de elétrons. No entanto, o átomo de um elemento químico é diferente do átomo de outro elemento químico. em cada um, encontramos uma quantidade particular de prótons e elétrons, que é o seu número atômico. Por exemplo: Um átomo de cobre tem 29 prótons e 29 elétrons. Um átomo de alumínio tem apenas 13 prótons e 13 elétrons. Professor Wagner Cardoso 2

3 FÍSICA: CARGA ELÉTRICA Módulo 1 As três partículas são dotadas de massa. Próton e nêutron possuem massas quase iguais, ao passo que o elétron tem uma massa muito menor que a das outras duas. A massa do próton é 1840 vezes maior que a do elétron e, mesmo assim, trata-se de uma massa muito pequena, resultando uma força de atração gravitacional desprezível entre o elétron e o núcleo do átomo. Como poderíamos justificar então que o elétron se mantém numa órbita ao redor do núcleo? A tendência do elétron seria escapar pela tangente, a menos que houvesse uma outra força centrípeta que o mantivesse em órbita. Isso levou aos cientistas a concluírem que existe entre próton e elétron uma força muito intensa responsável pela manutenção dessa órbita, a qual foi denominada força elétrica. Ao próton e ao elétron foi atribuída a propriedade de possuírem carga elétrica. A grande pergunta da Física no século XX, sem dúvida nenhuma, foi: qual seria a natureza dessa força elétrica?. Bem, ela continua sem resposta até hoje, no século XXI. Nós ainda não sabemos e nos limitamos a responder simplesmente: a origem da força elétrica é a carga elétrica do próton e do elétron. Apenas podemos afirmar que a carga elétrica é uma propriedade do próton e do elétron, o que, na realidade, não responde satisfatoriamente à pergunta. Assim, em linguagem usual, concluímos que: Toda vez que dois corpos se atraem ou se repelem com uma força elétrica, dizemos, por comodidade, que esses corpos têm carga elétrica Os dois tipos de carga elétrica Inúmeras experiências feitas com prótons e elétrons levaram à conclusão das seguintes propriedades: elétron repele elétron próton repele próton elétron atrai próton Por outro lado, experiências feitas com os nêutrons revelaram que estes não geram nenhuma força elétrica, nem de atração nem de repulsão, quer estejam em presença de elétrons ou de prótons, ou mesmo entre si. Isso levou os cientistas a concluírem que existem dois tipos de carga elétrica, uma para o próton e outra para o elétron. Por mera convenção, estabeleceu-se que a carga do elétron seria negativa e a do próton positiva. Quantidade de eletricidade A quantidade de eletricidade (ou carga elétrica) de um próton é igual à de um elétron, exceto pelo sinal. A unidade de carga elétrica no Sistema Internacional é o coulomb (C), uma homenagem ao francês Charles Augustin Coulomb ( ). Essa unidade representa uma submúltiplos: grande quantidade de eletricidade. Por isso usam-se seus microcoulomb... nanocoulomb... picocoulomb... 1μC = 10-6 C 1nC = 10-9 C 1pC = C A carga elétrica do próton foi denominada carga elétrica elementar e seu valor é representado pelo símbolo e. Professor Wagner Cardoso 3

4 FÍSICA: CARGA ELÉTRICA Módulo 1 Experimentalmente, determinou-se o valor de carga elétrica elementar: e = 1, C Para um conjunto de n elétrons, dizemos que a quantidade de eletricidade Q desse conjunto vale: Q = -n e Do mesmo modo, um conjunto de n prótons apresenta uma quantidade de eletricidade vale: Q = +n e Condutores e isolantes Em determinados meios materiais as cargas elétricas se movimentam com relativa facilidade. São os condutores de eletricidade. quando as cargas elétricas encontram dificuldade para se movimentar dizemos que o meio é isolante. Por exemplo, na borracha, no vidro, na lã, nos plásticos, a carga elétrica tem enorme dificuldade para se movimentar e, por isso, eles são considerados isolantes. Nos metais, os elétrons se movimentam com relativa facilidade e isso se justifica pelo elevado número de elétrons livres presentes. Por isso, cobre, alumínio, ouro, prata e outros metais são considerados condutores. Exercícios de classe 1. Se um corpo A, eletrizado positivamente, repele outro corpo eletrizado B e este, por sua vez, atrai um terceiro corpo C, também eletrizado, responda: a) Quais os sinais das cargas elétricas de B e de C? b) O que acontecerá se colocarmos A e C em presença um do outro? 2. Uma partícula apresenta carga elétrica negativa de 3, C. Essa partícula está com excesso ou falta de elétrons? Calcule essa diferença. 3. De um corpo neutro retiramos 10 4 elétrons. Ele ficou com carga elétrica negativa ou positiva? Qual é o valor de sua carga elétrica? Professor Wagner Cardoso 4

5 FÍSICA: CARGA ELÉTRICA Módulo 1 Atividades para casa 1. Na figura, indica-se o sinal da carga elétrica de cada uma das partículas. copie a figura no seu caderno e pinte uma seta indicando a força elétrica em cada par de partículas. 2. Observe as figuras abaixo, onde a partícula A possui carga elétrica positiva e as partículas B, C e D estão eletrizadas com cargas elétricas desconhecidas. As setas indicam o sentido da força elétrica em cada partícula. Copie cada uma das figuras no seu caderno e identifique o sinal de suas cargas elétricas. 3. Nos vértices de um triângulo ABC estão colocadas três partículas eletrizadas. Sabemos que a partícula A tem carga elétrica positiva e que ela atrai a partícula B. Sabendo que B atrai a partícula C: a) determine os sinais das cargas elétricas de B e de C; b) responda se a partícula A repele ou atrai a partícula C. 4. O que é carga elétrica elementar? 5. Na eletrosfera de um átomo existem 44 elétrons. Sendo e = 1, C o valor da carga elementar, podemos afirmar que a carga elétrica da eletrosfera e a carga elétrica do núcleo valem, respectivamente: a) -70, C e zero b) 3, C e zero c) -7, C e +7, C d) -70, C e +70, C e) -3, C e +3, C Professor Wagner Cardoso 5

6 FÍSICA: CARGA ELÉTRICA Módulo 1 6. Um corpo possui elétrons e 3, prótons. Quanto à carga elétrica desse corpo, determine: a) o sinal; b) a intensidade. 7. (UEC-CE) Um corpo tem elétrons e prótons. Como a carga elétrica de um elétron (ou de um próton) vale, em módulo, 1, C, podemos afirmar que o corpo está carregado com uma carga elétrica de: a) -0,32 C b) 0,32 C c) 0,64 C d) -0,64 C 8. Considerando que e = 1, C, quantos elétrons devem ser retirados de um corpo para que sua carga elétrica final seja 4 C? 9. Um corpo que não está eletricamente carregado contém elétrons? Explique. Professor Wagner Cardoso 6

7 FÍSICA: ELETRIZAÇÃO Módulo 1 ELETRIZAÇÃO Experimento: Pique em pedacinhos, um lenço de papel e coloque-os sobre uma mesa. Quanto menores os pedacinhos, melhor. Passe um pente de plástico várias vezes em seus cabelos. Agora, aproxime o pente dos pepeizinhos. O que ocorreu? Você sabe explicar de que maneira os papeizinhos foram atraídos? O fenômeno descrito é uma eletrização. O pente foi eletrizado ao passar em seus cabelos. Estudaremos três processos básicos de eletrização de corpos: o atrito, o contato e um que é decorrência da indução eletrostática. Eletrização por atrito Ao atritarmos entre si duas substâncias diferentes, elas se eletrizam com cargas elétricas de sinais opostos. Isso se verifica com isolantes ou condutores de eletricidade. Como exemplo, esfreguemos um pano de lã sobre um pedaço de vidro. Este cederá elétrons para a lã e, desse modo, ficará eletrizado positivamente, enquanto a lã, negativamente. Eletrização por contato Para eletrizarmos um corpo metálico, podemos fazer uso de um outro corpo previamente eletrizado, encostando um no outro. Se encostarmos uma esfera de alumínio (neutra) em outra esfera de alumínio eletrizada negativamente, haverá passagem de elétrons da esfera eletrizada para a esfera neutra e, ao final, estarão ambas negativas. Na eletrização por contato os corpos ficarão com cargas elétricas de mesmo sinal. Eletrização por indução A indução eletrostática é um fenômeno de separação de cargas elétricas de sinais contrários em um mesmo corpo. Esse tipo de eletrização ocorre quando aproximamos um corpo eletrizado de outro corpo neutro. Princípio da Conservação das Cargas Elétricas Quando fazemos experiências com corpos eletrizados, tomamos o devido cuidado de isolar cada um deles. Usamos um pedestal isolante e não tocamos nas esferas metálicas. Desse modo, o nosso sistema não perderá cargas elétricas para o meio exterior e, durante a experiência, a soma das cargas elétricas permanecerá constante. O contato entre dois ou mais corpos favorecerá a troca de cargas elétricas entre eles, não alterando porém o somatório das cargas elétricas do sistema. Tomemos como exemplo duas esferas de metal A e B eletrizadas inicialmente com cargas elétricas +12 e -4, respectivamente. Fazendo um contato entre elas, verificou-se que as novas cargas elétricas de A e B tornaram-se +5 e +3, respectivamente. Observemos que: o somatório das cargas elétricas de A e B antes do contato era (+12) + (-4) = +8 o somatório das cargas elétricas de A e B após o contato passou a ser (+5) + (+3) = +8 Professor Wagner Cardoso 7

8 FÍSICA: ELETRIZAÇÃO Módulo 1 Exercícios de classe 1. Observe a tabela ao lado denominada série tribo-elétrica. Ela é uma sequência ordenada de algumas substâncias e nos dá o sinal das cargas elétricas adquiridas por dois corpos que se atritam, conforme indica a regra das setas laterais. a) Atritando-se um pedaço de vidro com um pano de algodão, o que ocorrerá? b) Atritando-se dois pedaços de pano, um de lã e outro de seda, com que cargas eles se eletrizam? vidro mica lã seda algodão celulóide REGRA 2. Quando se faz o contato entre duas esferas metálicas idênticas, elas repartem igualmente entre si suas cargas elétricas. Na figura, estão representadas duas esferas metálicas idênticas 1 e 2, com cargas elétricas Q 1 = +6nC e Q 2 = -2nC. Fazendo-se o contato entre elas, qual será a carga elétrica final de cada uma? 3. Uma pessoa penteia seus cabelos usando um pente de plástico. O que ocorre com o pente e com o cabelo? a) Ambos se eletrizam positivamente b) Ambos se eletrizam negativamente c) Apenas o pente fica eletrizado d) Apenas o cabelo fica eletrizado e) Um deles ficará positivo e o outro negativo 4. Se retirarmos elétrons de um corpo neutro, ele se eletrizará? Negativamente ou positivamente? 5. Como podemos conhecer o sinal da carga elétrica de um cabide de plástico que foi eletrizado e suspenso por um fio? Professor Wagner Cardoso 8

9 FÍSICA: ELETRIZAÇÃO Módulo 1 Atividades para casa 1. Considere a tabela ao lado. Ela é uma série tribo-elétrica. Observe a regra de utilização, válida para o atrito entre duas substâncias. a) Se atritarmos uma bolinha de vidro oca e leve com um pano de algodão, qual será o sinal da carga elétrica adquirida pela bolinha? b) Se atritarmos uma bolinha de pingue-pongue, feita de celulóide com um pano de algodão, qual será o sinal da carga elétrica da bolinha? c) Aproximando a bolinha de vidro eletrizada da bolinha de pingue-pongue, haverá atração ou repulsão? vidro mica lã seda algodão celulóide REGRA 2. Observe a esfera ao lado. Ela é constituída de ebonite, uma resina dura e negra. Atritandoa com um pedaço de seda, arrancam-se dela aproximadamente elétrons. a) A esfera adquiriu carga positiva ou negativa? b) Sabendo-se que a carga elementar do elétron, em módulo, vale 1, C, qual é a carga elétrica final da esfera? 3. Duas esferas idênticas de alumínio estão eletrizadas com cargas elétricas Q 1 = -3nC e Q 2 = +7nC. Feito um contato entre elas, qual foi a carga elétrica resultante em cada uma delas? Observação: 1 nc = 10-9 C. 4. Uma esfera de alumínio possui carga elétrica Q. Uma segunda esfera de alumínio, idêntica à primeira, estando eletricamente neutra, é encostada a ela. A carga adquirida por essa segunda esfera foi: a) b) Q 8 Q 4 c) d) Q Q 2 e) 2Q 5. Um professor mostra uma situação em que duas esferas metálicas idênticas estão suspensas por fios isolantes. As esferas aproximam-se uma da outra, como indicado na figura: Três estudantes fizeram os seguintes comentários sobre essa situação: a) Uma esfera tem carga positiva e a outra está neutra b) Uma esfera tem carga negativa e a outra tem carga positiva c) Uma esfera tem carga negativa e a outra está neutra Dos comentários feitos pelos estudantes, quais são fisicamente possíveis? Professor Wagner Cardoso 9

10 FÍSICA: ELETRIZAÇÃO Módulo 1 6. Em dias secos, em ambientes acarpetados, é comum as pessoas receberem pequenas descargas elétricas ao tocarem em maçanetas e outros objetos metálicos. Isto se deve: a) aos objetos metálicos, por serem bons condutores, absorverem facilmente energia elétrica e se descarregarem ao serem tocados. b) ao corpo da pessoa, eletrizado pelo atrito com o carpete, se descarregar nesses objetos. c) aos metais se carregarem negativamente e os dielétricos positivamente, gerando uma corrente elétrica ao se fechar o circuito. d) aos objetos metálicos produzirem um aumento local do campo elétrico, tornando-se eletrizados e causando descargas ao serem tocados. e) aos carpetes, em ambientes secos e quentes, emitirem elétrons livres, carregando-se positivamente e descarregando-se pelo contato. 7. Um bastão de alumínio eletricamente neutro é fixado em suporte de plástico como indica a figura: A extremidade A é atritada com um pedaço de tecido, ficando eletrizada. O que se pode dizer com relação à carga elétrica da extremidade B? a) Tem sinal oposto ao da carga elétrica de A, pois se carrega por indução. b) É nula, pois apenas a extremidade A foi atritada. c) Tem o sinal oposto ao da carga elétrica de A, pois o bastão estava inicialmente neutro. d) É nula, pois o bastão está isolado pelo suporte. e) Tem o mesmo sinal da carga elétrica de A. 8. Ao atritar uma barra de vidro com um pano de seda, estando ambos inicialmente neutros, verifica-se que: a) a barra e a seda ficam descarregadas. b) a seda fica eletrizada e a barra neutra. c) a barra fica eletrizada e a seda neutra. d) a barra e a seda eletrizam-se com cargas de sinais iguais. e) a barra e a seda eletrizam-se com cargas de sinais opostos. 9. Julgue (V ou F) as seguintes afirmações: I. Na eletrização por atrito, os dois corpos ficam carregados com cargas de módulos iguais, porém de sinais contrários. II. Na eletrização por contato, os corpos ficam eletrizados com cargas de mesmo sinal. III. No processo de indução eletrostática, o corpo induzido se eletrizará sempre com cargas de sinal contrário às do indutor. Professor Wagner Cardoso 10

11 FÍSICA: FORÇA ELETROSTÁTICA Módulo 1 FORÇA ELETROSTÁTICA Vamos trabalhar agora com corpos eletrizados cujas dimensões são desprezíveis em relação às distâncias que os separam um do outro. É comum denominar esses pequenos eletrizados de carga elétrica puntiforme. A Lei de Coulomb No decorrer do século XVIII o acúmulo de experiências sobre fenômenos elétricos tornou evidente que o progresso da Eletrostática dependia da determinação quantitativa da força elétrica que corpos carregados exercem entre si. As experiências sobre esses fenômenos foram feitas por Coulomb em 1785 revelaram que: a intensidade da força entre os corpos eletrizados varia com o inverso do quadrado da distância entre eles e é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas. F =k q 1 q 2 d 2 A constante de proporcionalidade k depende do meio que envolve os corpos eletrizados. quando o meio e o vácuo, k, é denominado constante eletrostática e seu valor determinado experimentalmente, sendo: k= unidades dosi Algumas características a serem observadas em relação à constante gravitacional G são: k depende do meio que envolve os corpos eletrizados e G não depende do meio que envolve as massas; k = Nm 2 /C 2 e G=6, Nm 2 /kg 2, esses valores mostram que a força gravitacional é bem mais fraca que a força elétrica. Exercícios de classe 1. Determine a intensidade da força de repulsão entre duas cargas iguais a 1 C que se encontram no vácuo, distanciadas em 1 m. ( k= Nm 2 /C 2 ) 2. Considere os valores das constantes eletrostáticas (k) e gravitacional (G): a) Elas dependem do meio que envolve as cargas ou as massas? b) Justifique por que a força eletrostática é mais forte que a força gravitacional. c) Entre duas cargas puntiformes, além da força elétrica entre elas, há também força gravitacional? Justifique. d) Determine, utilizando o valor de k no vácuo, a intensidade da força eletrostática entre duas cargas puntiformes iguais a q= C, distanciadas 1 m uma da outra. Professor Wagner Cardoso 11

12 FÍSICA: FORÇA ELETROSTÁTICA Módulo 1 3. Duas partículas eletrizadas estão fixadas a 3,0 mm uma da outra. Suas cargas elétricas são idênticas e iguais 2,0 nc, positivas. Determine a intensidade da força eletrostática sabendo que o meio é o vácuo. 4. No SI as unidades de carga elétrica, de força e de distância são, respectivamente: a) newton, coulomb e centímetro b) metro, coulomb e newton c) coulomb, newton e metro d) microcoulomb, newton e centímetro e) microcoulomb, newton e metro 5. (Fuvest-SP) Duas partículas eletricamente carregadas com cargas elétricas positivas de 8,0 μc cada uma estão no vácuo, separadas por uma distância de 30 cm. A força de interação eletrostática entre elas é: a) de repulsão e tem módulo igual a 6,4 N b) de atração e tem módulo de 6,4 N c) de repulsão e tem módulo igual a 1,6 N d) de atração e tem módulo igual a 1,6 N e) de repulsão e tem módulo igual a 6, N Professor Wagner Cardoso 12

13 FÍSICA: FORÇA ELETROSTÁTICA Módulo 1 Atividades para casa 1. (UEL-PR) Duas cargas iguais, de C, se repelem no vácuo com uma força de 0,1 N. Sabendo que a constante elétrica no vácuo é de Nm 2 /C 2, a distância entre essas cargas, em metros, é de: a) 0,9 b) 0,6 c) 0,5 d) 0,3 e) 0,1 2. (PUC-MG) Duas cargas elétricas, positivas, estão separadas a uma distância d, no vácuo. Dobrando-se a distância que as separa, a força de repulsão entre elas: a) ficará divida por 2 b) ficará multiplicada por 2 c) ficará dividida por 4 d) ficará multiplicada por 4 e) não se alterará 3. (Mackenzie-SP) Duas cargas elétricas puntiformes Q 1 e Q 2 atraem-se mutuamente com uma força de intensidade F = 5, N, quando estão no vácuo (k = Nm 2 /C 2 ), a 1,0 m de distância uma da outra. Se Q 1 = 2 μc, Q 2 vale: a) -3 μc b) -0,33 μc c) 0,5 μc d) 2 μc e) 3 μc 4. (AFA-SP) Duas esferas iguais, carregadas com cargas +16 μc e -4,0 μc são colocadas em contato uma com a outra e, depois, separadas pela distância de 3,0 cm. A intensidade da força de repulsão, em newtons, entre elas será: (k = Nm 2 /C 2 ). a) 19 b) 50 c) 160 d) 360 e) 540 Professor Wagner Cardoso 13

14 FÍSICA: FORÇA ELETROSTÁTICA Módulo 1 5. (Vunesp-SP) Dois corpos pontuais em repouso, separados por certa distância e carregados eletricamente com cargas de sinais iguais, repelem-se de acordo com a Lei de Coulomb. a) Se a quantidade de carga de um dos corpos for triplicada, a força de repulsão elétrica permanecerá constante, aumentará (quantas vezes?) ou diminuirá (quantas vezes?)? b) Se forem mantidas as cargas iniciais, mas a distância entre os corpos for duplicada, a força de repulsão elétrica permanecerá constante, aumentará (quantas vezes?) ou diminuirá (quantas vezes?)? 6. (Mackenzie-SP) Duas cargas elétricas puntiformes distam 20 cm uma da outra. Alterando essa distância, a intensidade da força de interação eletrostática entre as cargas fica multiplicada por 4. A nova distância entre elas é: a) 10 cm b) 20 cm c) 30 cm d) 40 cm e) 50 cm 7. (FEI-SP) Na figura as pequenas esferas A e B têm cargas iguais Q 1 = Q 2 = -2 μc. A esfera A é fixa e a esfera B, cuja massa é 160 g, mantém-se em equilíbrio sobre a reta vertical que passa por A. Na situação de equilíbrio, a distância h entre as esferas vale (em centímetro): a) 1 b) 5 c) 10 d) 15 e) Três partículas com cargas elétricas idênticas estão alinhadas como mostra a figura. A partícula C exerce sobre B uma força elétrica de intensidade 6, N. Qual a intensidade da força elétrica resultante da ação de A e C sobre B? Professor Wagner Cardoso 14

15 FÍSICA: CAMPO ELÉTRICO Módulo 1 CAMPO ELÉTRICO Os efeitos elétricos que ocorrem nas proximidades de cargas elétricas são atribuídos à existência de um campo elétrico. Vejamos um exemplo concreto: se aproximarmos um dos nossos braços da tela de um televisor ligado, notaremos que seus pêlos ficam eriçados. Isso mostra que as cargas elétricas da tela do televisor geram um campo elétrico. Uma esfera eletrizada também gera à sua volta um campo elétrico. Podemos detectá-lo usando uma carga elétrica puntiforme como carga de prova. Assim que ela for colocada nas proximidades da esfera, surgirá nela uma força de origem elétrica, demonstrando a presença do campo elétrico. O campo elétrico possui intensidade, direção e sentido, ou seja, é uma grandeza vetorial. O vetor que o representa é indicado por E. Direção e sentido do campo elétrico Para representar a direção e o sentido do campo elétrico, usamos duas formas: o vetor linhas orientadas, denominadas linhas de força. E ou Quando o campo elétrico for criado por cargas elétricas positivas, ele terá, por convenção, um sentido de afastamento da esfera. Quando o campo elétrico for criado por cargas elétricas negativas, ele terá, por convenção, um sentido de aproximação da esfera. Determinação do vetor campo elétrico Geralmente ao movimentarmos uma carga de prova por um campo elétrico, observamos que, em pontos diferentes, a carga de prova fica sujeita a diferentes intensidades de força elétrica. Assim, a cada ponto de um campo elétrico, definimos o vetor campo elétrico dado pela relação: E= F q Nessa expressão, F é o vetor força elétrica sobre a carga de prova (q), no ponto considerado. No Sistema Internacional, temos: F em newton (N), q em coulomb (C) e E em newton/coulomb (N/C). Professor Wagner Cardoso 15

16 FÍSICA: CAMPO ELÉTRICO Módulo 1 Módulo do campo elétrico Usando a definição de campo elétrico é possível demonstrar que, num ponto P qualquer, o módulo campo elétrico, gerado por uma carga elétrica puntiforme Q, é dado por: E=k Q d 2 Exercícios de classe 1. Uma carga elétrica puntiforme Q = 8,0 nc é colocada no vácuo. Sabe-se que k = 9, unidades do SI. Considerando a figura, vamos determinar a intensidade do campo elétrico: a) no ponto A b) no ponto B 2. Uma carga elétrica de prova q = C é colocada num ponto onde a intensidade do campo elétrico é E = N/C. Determine a intensidade da força elétrica atuante sobre a carga naquele ponto. 3. A figura mostra duas cargas elétricas puntiformes positivas, Q 1 e Q 2, separada por 9 cm e fixas no vácuo. a) represente os vetores campo elétrico gerados pelas cargas Q 1 e Q 2 em um ponto situado na reta que une as cargas e localizado à esquerda da carga Q 1; entre as cargas Q 1 e Q 2; e à direita de Q 2. b) Em qual(is) dos três pontos citados no item anterior existe a possibilidade de o campo elétrico resultante ser nulo? Justifique. 4. O campo elétrico num ponto P depende da particular carga de prova que usamos para detectá-lo ou depende exclusivamente da carga elétrica que o gerou? 5. O campo elétrico num ponto P é uma grandeza escalar ou vetorial? 6. (UFLA-MG) Estima-se que o campo elétrico produzido pela Terra nas vizinhanças da superfície seja praticamente uniforme, de intensidade 150 N/C, vertical, apontado para baixo. Que carga elétrica deveria ter uma moeda de massa 1,5 g para que a força elétrica sobre ela equilibrasse a força gravitacional? Use g = 10 m/s 2. Professor Wagner Cardoso 16

17 FÍSICA: CAMPO ELÉTRICO Módulo 1 Energia Potencial Elétrica Em alguns casos, é mais fácil entender os fenômenos elétricos por meio do conceito de energia potencial elétrica e potencial elétrico. Quando colocamos uma carga de prova em um campo elétrico, dotamos o sistema (carga de prova e campo elétrico) de energia potencial elétrica, ou seja, a força elétrica está em condições de realizar trabalho. A energia potencial elétrica é dada pela relação: E p =k Q q d A unidade de energia no SI é o joule, de símbolo J. Potencial elétrico Potencial elétrico é a medida do nível de energia potencial associada a um ponto do campo elétrico. Tomemos uma carga de prova q e a coloquemos em um ponto P de um campo elétrico. Ela adquire uma energia potencial elétrica E p. Definimos o potencial elétrico associado ao ponto P, como sendo a grandeza escalar V dada por: V = E p q A unidade de potencial elétrico é o volt, de símbolo V. Potencial elétrico gerado por uma carga puntiforme Quando temos uma carga puntiforme Q gerando o campo elétrico e considerando um ponto P situado a uma distância d dessa carga, o potencial elétrico é dado por: V =k Q d Trabalho do campo elétrico Considere dois pontos A e B de um campo elétrico onde: V A = potencial resultante no ponto A; V B = potencial resultante no ponto B; Uma carga de prova (q) é transportada de A para B por um operador. Durante esse transporte, as forças elétricas do campo que atuam na carga elétrica q realizam um trabalho, dado pela equação: AB =q V A V B A unidade de energia no SI é o joule, de símbolo J. Professor Wagner Cardoso 17

18 FÍSICA: CAMPO ELÉTRICO Módulo 1 Exercícios de classe 1. Uma partícula gera um campo elétrico numa região em que o meio é o vácuo. Sua carga elétrica é Q = 8,0 pc. a) Vamos considerar um ponto P a uma distância d = 2,0 mm da partícula e calcular o potencial elétrico em P. b) Uma segunda partícula de carga elétrica q = 5, C é levada até o ponto P. Calculemos a energia potencial que ela adquiriu ao ser colocada em P. 2. Deslocamos em uma região onde há campo elétrico, uma carga elétrica negativa q = -4 nc, do ponto A, de potencial +5,0 V, até um ponto B, de potencial -5,0 V. Determinar o trabalho da força elétrica. 3. (PUC-SP) Uma nuvem está a um potencial de V relativamente à Terra. Uma carga de 40 C é transferida por um raio da nuvem à Terra. A energia dissipada foi de: a) J b) J c) 3, J d) 4, J e) J Professor Wagner Cardoso 18

19 BIBLIOGRAFIA Paraná. Física Série Novo ensino Médio. Vol. Único 6ª edição. Editora Ática, 2004 Wilson Carron. Física Coleção Base. Vol. Único 2ª edição. Editora Moderna, 2004 Sampaio & Calçada. Física. Vol. Único.Editora Atual, 2003